東海盆地西湖凹陷平北地區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化特征及其主控因素

章 超，陳踐發(fā)，朱心健，劉凱旋，張 濤，劉金水

1油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)石油大學(xué)（北京））；2中國(guó)石油浙江油田公司;3中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司

0 前 言

東海盆地平北地區(qū)是西湖凹陷重要的油氣聚集區(qū)，研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化在垂向上具有明顯的分段特征，深部地層相較淺部地層有機(jī)質(zhì)熱演化的速率明顯偏大。前人對(duì)研究區(qū)有機(jī)質(zhì)的垂向分段性演化開展了相關(guān)研究［1-3］，但大多僅根據(jù)有機(jī)質(zhì)熱演化剖面上鏡質(zhì)組反射率（Ro）數(shù)據(jù)的異常這一單因素來(lái)分析，研究結(jié)論缺乏其他有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)證據(jù)的支持，且未對(duì)可能造成這一現(xiàn)象的原因進(jìn)行深入的分析。有機(jī)質(zhì)熱演化受多種因素的影響，有機(jī)質(zhì)組成的差異、流體活動(dòng)、地層熱導(dǎo)率的變化和超壓作用均可能影響有機(jī)質(zhì)的熱演化［4］。

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，以西湖凹陷平北地區(qū)重點(diǎn)井K2井和N25井為例，通過(guò)Ro在剖面上的演化特征，結(jié)合生物標(biāo)志化合物成熟度指標(biāo)、二苯并噻吩類（DBTs）成熟度參數(shù)綜合分析研究區(qū)有機(jī)質(zhì)的熱演化特征，并對(duì)有機(jī)質(zhì)組成的差異、流體活動(dòng)、熱導(dǎo)率和超壓作用等可能造成有機(jī)質(zhì)熱演化差異的各個(gè)因素進(jìn)行全面分析，查明西湖凹陷平北地區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化的主控因素。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

西湖凹陷位于東海陸架盆地東部，面積約為5.9×104km2，是東海盆地中沉積面積最大、勘探程度最高的沉積凹陷。凹陷形成主要經(jīng)歷了斷陷期、拗陷-反轉(zhuǎn)期和整體沉降期3 個(gè)階段［5］，具有“東西分帶、南北分塊”的構(gòu)造格局，從西往東依次分為西部斜坡帶、西次凹、中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶、東次凹、東部斷階帶等5個(gè)構(gòu)造單元。本文研究區(qū)平北（平湖構(gòu)造帶北部）地區(qū)位于西部斜坡帶的中部，是西湖凹陷重要的油氣聚集區(qū)（圖1）。研究區(qū)自下而上依次發(fā)育古新統(tǒng)，始新統(tǒng)八角亭組—寶石組和平湖組，漸新統(tǒng)花港組，中新統(tǒng)龍井組、玉泉組和柳浪組，上新統(tǒng)三潭組及第四系東海群。其中，始新統(tǒng)平湖組和漸新統(tǒng)花港組是研究區(qū)主要的烴源巖層［6-9］。

圖1 區(qū)域構(gòu)造及研究區(qū)位置圖Fig. 1 Map of regional structure and location of study area

2 有機(jī)質(zhì)熱演化特征

鏡質(zhì)組反射率（Ro）是反映有機(jī)質(zhì)熱演化的最常用指標(biāo)［4］。通過(guò)有機(jī)質(zhì)熱演化剖面圖分析發(fā)現(xiàn)，西湖凹陷平北地區(qū)K2 井和N25 井有機(jī)質(zhì)熱演化在垂向上表現(xiàn)出以下特征：K2井Ro在垂向上表現(xiàn)為隨深度的加深而增大，但熱演化特征分為明顯的兩段，以4 100 m 深度為界，其以下Ro隨深度的變化速率明顯高于上段（圖2）；N25井的有機(jī)質(zhì)熱演化也表現(xiàn)出類似的特征（圖3），整體上隨深度加深，Ro逐漸增大，但以3 500 m 深度為界，下段的Ro隨深度的增大速率明顯高于上段。甾烷的20S/(20S+20R)和ββ/(αα+ββ)常用于有機(jī)質(zhì)成熟度的評(píng)價(jià)當(dāng)中。從圖2和圖3 中可以看出，隨著埋藏深度增大，C29甾烷的20S/(20S+20R)和ββ/(αα+ββ)值逐漸增大，這與有機(jī)質(zhì)的熱演化趨勢(shì)一致；但這兩個(gè)參數(shù)在K2井4 100 m深度和N25 井3 500 m 深度均有一個(gè)演化趨勢(shì)的變化，即在該深度附近快速增大到一個(gè)較高水平，這個(gè)深度與Ro演化速率發(fā)生突變的深度基本一致。

由此可知，K2 井以4 100 m 深度為界，N25 井以3 500 m 深度為界，下段Ro值隨深度增加而增大的速率比上段要大，即下段有機(jī)質(zhì)的熱演化速率相較于上段有很大的提高，有機(jī)質(zhì)熱演化呈現(xiàn)出分段性特征。

圖2 K2井有機(jī)質(zhì)熱演化剖面Fig. 2 Thermal evolution profiles of organic matter in Well K2

圖3 N25井有機(jī)質(zhì)熱演化剖面Fig. 3 Thermal evolution profiles of organic matter in Well N25

二苯并噻吩類化合物在烴源巖中廣泛發(fā)育，可以作為良好的成熟度指標(biāo)［10］。甲基二苯并噻吩（MD?BT）中C-4位甲基取代的異構(gòu)體最為穩(wěn)定，C-1位甲基取代的異構(gòu)體最不穩(wěn)定［11］，隨著成熟度的增加，熱穩(wěn)定性差的異構(gòu)體逐漸減少，而熱穩(wěn)定性高的異構(gòu)體逐漸增多，故可用2,4-DMDBT/1,4-DMDBT（記為K2,4，DMDBT為二甲基二苯并噻吩）和4,6-DMDBT/1,4-DMDBT（記為K4,6）來(lái)反映烴源巖成熟度［10-14］。圖4給出了K2井二甲基二苯并噻吩的分析結(jié)果，其變化趨勢(shì)與Ro的相吻合：隨深度的增大，有機(jī)質(zhì)熱演化程度增高，K2,4和K4,6也隨之增大；在4 100 m 深度以下，有機(jī)質(zhì)的熱演化速率提高，K2,4和K4,6隨深度增大的速率也明顯增大?？梢姸谆讲⑧绶灶悈?shù)在垂向上也表現(xiàn)出分段特征，而且分段的界線深度與Ro具有高度的吻合性。

圖4 K2井二甲基二苯并噻吩參數(shù)K2,4和K4,6與埋深的關(guān)系Fig. 4 Relationship between dimethyldibenzothiophene parameters(K2,4, K4,6) and depth in Well K2

由K2井和N25井的分析結(jié)果可以看出，西湖凹陷平北地區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化具有明顯的分段性特征，深部地層的有機(jī)質(zhì)熱演化速率明顯高于淺部地層。

3 有機(jī)質(zhì)熱演化主控因素

通常情況下，造成垂向上有機(jī)質(zhì)成熟度分段性的原因主要包括：①有機(jī)質(zhì)組成特征對(duì)有機(jī)質(zhì)熱演化的影響［15-17］；②流體活動(dòng)對(duì)有機(jī)質(zhì)熱演化的影響［18-20］；③巖石熱導(dǎo)率的差異對(duì)有機(jī)質(zhì)熱演化的影響［21-22］；④超壓對(duì)有機(jī)質(zhì)熱演化的影響［23-24］。

3.1 有機(jī)質(zhì)組成特征的影響

平湖構(gòu)造帶主要發(fā)育始新統(tǒng)平湖組和漸新統(tǒng)花港組兩套烴源巖層。在平北地區(qū)的烴源巖樣品中，花港組和平湖組烴源巖氫指數(shù)（HI）整體上小于400 mg/g；平湖組烴源巖埋深更大，熱演化程度更高，有機(jī)質(zhì)熱解峰溫（Tmax）比花港組高；平湖組和花港組烴源巖有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅲ—Ⅱ2型干酪根（圖5）。

圖5 平北地區(qū)烴源巖樣品氫指數(shù)與熱解峰溫關(guān)系圖Fig. 5 Rock-Eval hydrogen index versus Tmax of source rock samples in the Pinghu tectonic zone

由上述分析可知，研究區(qū)平湖組和花港組干酪根均以Ⅲ—Ⅱ2型為主，而且根據(jù)干酪根顯微組分組成特征，K2井和N25 井以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)（表1，表2），有機(jī)質(zhì)組成特征在垂向上變化不大，因此有機(jī)質(zhì)組成特征不是平北地區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化垂向上分段性的原因。

表1 西湖凹陷平北地區(qū)K2井干酪根有機(jī)顯微組分Table 1 Maceral composition of kerogens from Well K2 in the Pinghu tectonic zone

表2 西湖凹陷平北地區(qū)N25井干酪根有機(jī)顯微組分Table 2 Maceral composition of kerogens from Well N25 in the Pinghu tectonic zone

3.2 流體活動(dòng)的影響

流體是熱能的重要載體，流體活動(dòng)可以引起沉積盆地傳導(dǎo)與對(duì)流熱場(chǎng)的疊加，從而影響有機(jī)質(zhì)的熱演化［18,20］。流體活動(dòng)可以使地層溫度發(fā)生改變，從而引起分段性的Ro梯度。根據(jù)前人對(duì)平湖構(gòu)造帶進(jìn)行熱史恢復(fù)的結(jié)果，雖然各地層的沉積速率有所差異，但基本上是一個(gè)連續(xù)沉降增溫的過(guò)程，特別是從32 Ma 開始，連續(xù)沉降的特征尤為明顯［25］。依據(jù)DST 鉆柱測(cè)試數(shù)據(jù)，西湖凹陷現(xiàn)今的平均地溫梯度約為3.4 ℃/100 m，而且不同的構(gòu)造單元平均地溫梯度也存在一定的差異?？傮w上看，中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶的平均地溫梯度最高，可達(dá)3.8 ℃/100 m；而平湖構(gòu)造帶所在的西部斜坡帶的平均地溫梯度最低，為3.16 ℃/100 m（圖6）。在平湖構(gòu)造帶內(nèi)，不同區(qū)域的地溫梯度也有所不同，平北地區(qū)地溫梯度較低，約為3 ℃/100 m（圖7），而且其深部的地溫梯度更低，地溫梯度的變化不會(huì)造成深部地層烴源巖Ro增加速率的加快，因此流體活動(dòng)不是有機(jī)質(zhì)熱演化垂向上分段性的原因。

圖6 西湖凹陷實(shí)測(cè)地溫與深度關(guān)系圖Fig. 6 Relationship between measured formation temperature and depth in Xihu Sag

圖7 平湖構(gòu)造帶實(shí)測(cè)地溫與深度關(guān)系圖Fig. 7 Relationship between measured formation temperature and depth in Pinghu tectonic zone

3.3 熱導(dǎo)率差異的影響

在熱流恒定的情況下，熱導(dǎo)率越低，地溫梯度越高。因此，熱導(dǎo)率較低的層段地溫梯度較高，從而出現(xiàn)較高的Ro梯度。一方面，地質(zhì)體的熱導(dǎo)率受到巖石類型的影響，一般砂巖的熱導(dǎo)率約為1.9～7.4 W/(m·K)，泥巖的熱導(dǎo)率約為1.5～2.3 W/(m·K)；另一方面，在巖性相同的情況下，熱導(dǎo)率還與孔隙發(fā)育狀況有關(guān)，孔隙度越大，地層的熱導(dǎo)率越低［26］。

西湖凹陷平北地區(qū)K2 井和N25 井不同層段巖性均以砂巖和泥巖為主，故巖性差異引起的熱導(dǎo)率變化并不十分明顯。根據(jù)巖心分析結(jié)果，K2井在有機(jī)質(zhì)熱演化分段界面4 100 m 上下的孔隙度約為10%～15%（表3），N25 井在有機(jī)質(zhì)熱演化分段界面3 500 m 上下的孔隙度約為15%～20%（表4），孔隙度變化并不十分顯著，并且在該孔隙度范圍內(nèi)，地層的熱導(dǎo)率約在5～6 W/(m·K)之間，仍然處于較高的水平?？梢奒2 井和N25 井巖性和孔隙度變化引起的熱導(dǎo)率差異很小，因此熱導(dǎo)率差異也不是引起有機(jī)質(zhì)熱演化垂向上分段性的原因。

表3 西湖凹陷平北地區(qū)K2井巖心的巖性與孔隙度Table 3 Lithology and porosity of core from Well K2 in the Pinghu tectonic zone

表4 西湖凹陷平北地區(qū)N25井巖心的巖性與孔隙度Table 4 Lithology and porosity of core from Well N25 in the Pinghu tectonic zone

3.4 超壓發(fā)育的影響

關(guān)于超壓作用對(duì)有機(jī)質(zhì)熱演化的影響，不同學(xué)者曾提出過(guò)不同的觀點(diǎn)，可分為以下3類：①超壓作用可以促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的熱演化［27］；②超壓作用抑制有機(jī)質(zhì)的熱演化［28-29］；③超壓作用對(duì)有機(jī)質(zhì)的熱演化無(wú)明顯影響［30］。

測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)是識(shí)別異常地層壓力最基礎(chǔ)同時(shí)也是最可靠的方法，其中聲波測(cè)井、密度測(cè)井和電阻率測(cè)井是超壓識(shí)別最常用的3 條測(cè)井曲線，對(duì)這3條測(cè)井曲線進(jìn)行綜合分析，能更加準(zhǔn)確地確定超壓的存在［31］。

分析西湖凹陷平北地區(qū)K2 井和N25 井的測(cè)井綜合特征（圖8，圖9），可以看出：K2 井以4 100 m深度為界，N25 井以3 500 m 深度為界，其上隨深度的增加，聲波時(shí)差逐漸減小，密度和電阻率逐漸增大；但在其深度之下則發(fā)生了變化——K2 井聲波時(shí)差增大，密度略有減小，電阻率增大的速率變快，N25 井聲波時(shí)差增大，密度基本保持穩(wěn)定，電阻率減小。以上特征表明：平北地區(qū)K2 井和N25 井分別在4 100 m 和3 500 m 深度之下發(fā)育超壓，超壓發(fā)育深度均位于平湖組內(nèi)。超壓發(fā)育的頂界面與Ro在垂向上演化速率增加的深度完全吻合，K2 井以4 100 m 深度為界，N25 井以3 500 m 深度為界，上部Ro演化特征對(duì)應(yīng)淺部常壓系統(tǒng)，下部Ro演化特征對(duì)應(yīng)深部超壓系統(tǒng)。

圖8 K2井超壓段測(cè)井組合識(shí)別圖Fig. 8 Logging combination identification in overpressure section of Well K2

圖9 N25井超壓段測(cè)井組合識(shí)別圖Fig. 9 Logging combination identification in overpressure section of Well N25

通過(guò)以上分析判斷，有機(jī)質(zhì)組成特征、流體性質(zhì)和熱導(dǎo)率的變化均不是K2 井和N25 井有機(jī)質(zhì)熱演化垂向上呈分段性的原因，超壓作用是造成有機(jī)質(zhì)熱演化垂向上分段性的唯一可能原因。K2 井和N25井上下Ro梯度段與垂向上的兩個(gè)壓力系統(tǒng)完全對(duì)應(yīng)，對(duì)比上部的常壓地層，深部的超壓地層Ro梯度明顯偏大，同時(shí)在深度上二苯并噻吩類化合物參數(shù)的變化與Ro一致，這充分證明了超壓作用是西湖凹陷平北地區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化分段性的主控因素。

4 分析與探討

根據(jù)前人的研究，高壓在煤的分解過(guò)程中的作用不可忽視。煤富含含氧官能團(tuán)，在高壓條件下有利于縮聚反應(yīng)的進(jìn)行，這使得含氧官能團(tuán)不斷脫落，形成大量的CO2。同時(shí)煤在熱演化過(guò)程中，還會(huì)生成H2。 CO2和H2存在如下反應(yīng)：

高溫和高壓的環(huán)境有利于該反應(yīng)的發(fā)生，而且該反應(yīng)是一個(gè)氣體體積不斷減小的過(guò)程，高壓的存在有利于促進(jìn)該反應(yīng)的不斷進(jìn)行［32］。

西湖凹陷平湖組中煤層普遍發(fā)育，是重要的烴源巖。煤在熱演化過(guò)程中產(chǎn)生CO2和H2，在高壓條件下有利于CO2和H2發(fā)生反應(yīng)形成烴類化合物。這可能是西湖凹陷平北地區(qū)的超壓促進(jìn)有機(jī)質(zhì)熱演化的原因。

5 結(jié) 論

（1）西湖凹陷平北地區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化在垂向上表現(xiàn)出分段性特征，以超壓發(fā)育深度為界，下部有機(jī)質(zhì)相較于上部熱演化速率明顯偏大。

（2）有機(jī)質(zhì)組成的差異、流體性質(zhì)的變化、地質(zhì)體熱導(dǎo)率的差異均不是西湖凹陷平北地區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化垂向上分段性的原因，而超壓發(fā)育的深度與有機(jī)質(zhì)熱演化出現(xiàn)分段特征的深度具有很好的吻合性，超壓作用是引起平北地區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化垂向上分段性的主控因素。